Sammlung von Verständnis- und Einprägehilfen (3)

Hier gibt es Versuche zu Metallgefüge, Kerbwirkung, Schrägverzahnung, Differentialgetriebe

Radien, Kerben und Kanten

Innenleben

Ein aus der Ferne betrachteter Hausgiebel erscheint dem Auge als unstrukturierte Fläche. Geht man näher heran, bemerkt man, dass die Wand aus Mauersteinen besteht. Betrachtet man einen der Steine aus nächster Nähe, dann erkennt man, dass er selbst wieder aus unzähligen kleinen, kantigen Steinsplittern und eher runden Sandkörnern zusammengesetzt ist.
Ähnlich kann man sich Metallgefüge, also das eigentliche Metall-Innenleben vorstellen; es offenbart sich erst, wenn wenn man es unter dem Mikroskop betrachtet.

Lamellengrafit und Kugelgrafit

Gefüge des Graugusses

Bis zum Ende des 2. Weltkriegs kannten die Deutschen nur den Grauguss. Gusseisen sagten sie dazu. Er war und ist immer noch ein sehr gutes Material, denn er lässt sich leicht in Formen gießen und hat neben anderen erfreulichen Eigenschaften die, dass er leicht auf Graugussteilen und auf Stahl gleitet.
Woran liegt das? Das liegt an dem im Gefüge eingeschlossenen Grafit, reinem Kohlenstoff, der sogar die Gleitbahnen schmiert, wenn man das Fetten vergessen hat. Doch wo so viel Licht ist, ist auch Schatten. Der Grafit ist nämlich als lamellarer Grafit eingelagert. Lamellen sind scharfkantige Gebilde, deren Ecken und Kanten wie Kerben wirken. Werden sie etwa auf Zug oder Biegung beansprucht, dann reißt das Material sehr leicht an diesen Kanten ein. Folge: Der Grauguss besitzt im Vergleich zum Stahl, seinem Verwandten, eine nur geringe Zugfestigkeit.

Nach dem 2. Weltkrieg kam aus den USA der Kugelgrafitguss. Die Amerikaner hatten es geschafft, das Grafit  in Kugelgebilde umzuformen (danach war es allerdings kein reines Grafit mehr). Eine Kugel hat keine Kanten, deshalb ist beim Kugelgrafitguss auch die (innere) Kerbwirkung ausgeschaltet. Folge: Kugelgrafitguss besitzt bei (fast) allen Vorteilen des lamellaren Graugusses stahlähnliche Festigkeitseigenschaften.

Unser Freihandversuch belegt dies eindrucksvoll. Wir nehmen 2 DIN-A4-Blätter: In das eine schneiden wir mit der Schere Kerben, das zweite lochen wir mit dem Locher. Zwei Schüler reißen vor der Klasse beide Blätter auseinander und werden bestätigen, dass die nötige Kraft beim gelochten Blatt viel größer war.

Mehr zu den Gussarten und ihrer Normung

                                                         

Kerben und Rundlöcher im Papier	Versuch: Papier zerreißen, um die Festigkeit zu bestimmen

Schrägverzahnung: Kein Lärm, aber ...

Seitendruck

Die Schrägverzahnung bei Zahnrädern sorgt durch den allmählichen, über die ganze Zahnbreite ablaufenden Zahneingriff für ruhigen Lauf. Doch es gibt eine Nebenwirkung: Die Zahnschräge erzeugt eine Axialkraft. Sie lässt sich in einem Freihandversuch zeigen.

Am oberen Lineal wird ein 30- oder 45°-Zeichendreieck angelegt. Dann verschiebt man das dagegen gelegte Zeichendreieck als Symbol für die antreibende Umfangkraft entlang des linken Lineals nach oben. Dabei weicht das obere Zeichendreieck nach rechts aus.
In der Praxis darf dies nicht passieren, weshalb Schrägzahnräder eine den Axialschub aufnehmende, verstärkte Lagerung benötigen.

Wo ist der Unterschied?

Das Differential ist wegen seines schwierigen Aufbaus ein Fall für das Gedankenexperiment. Die Vorgehensweise wird in Technologie erklärt (ist in Vorbereitung).

• Hebelgesetz und Drehmoment (33156)
• Eselsbrücken, Übertreibung und Vereinfachung als didaktischer Kniff (6558)
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• Sammlung von Verständnis- und Einprägehilfen (2) (5331)